不同回灌壓力對控制建筑沉降的模擬分析

孟令冬　趙敏

【摘 要】針對黃土基坑降水開挖過程中對臨近建筑物沉降的影響，為了減小其沉降值保證建筑物的安全，采用ANSYS建立基坑及周邊環境模型，研究對比不同的回灌壓力對其沉降的控制作用。結果表明，合理的回灌壓力對控制基坑周邊沉降有著良好的作用。在一定范圍內，隨壓力的增加，建筑的最終沉降值在減小，壓力過大導致沉降值驟增，在回灌壓力設計中既要考慮黃土具有的特殊性質，又要考慮周邊建筑的特點，確定合理的壓力。

【關鍵詞】黃土基坑；建筑沉降；有限元分析；回灌壓力

0 序言

經濟的發展使得西安市內的深基坑工程日趨增多，基坑安全至關重要。在地下水豐富的地區，為保證基坑土方開挖的順利進行，通常需要采用人工手段進行降水[1]使基坑內水位低于開挖面。地下水位的降低也對維持基坑的穩定性也有積極的作用，同時也可以有效的避免諸如流土、管涌、坑底隆起[2]等災害對基坑工程造成的不利影響。然而在諸多優勢的背后，也不能忽視大規模降低地下水位可能使得地面沉降、樓房開裂、地下管線遭到破壞等[3]。基于此在深基坑施工的過程中，必須采用合理的手段控制其對周邊環境的影響，而回灌則是可以有效控制地下水水位。

然而當前針對黃土基坑基坑回灌對周邊環境影響的研究比較匱乏[4]，有必要結合黃土的特性對其進行深入的研究，有限元軟件ANSYS可以對基坑及其周邊環境進行有效的模擬[5]。本文主要針對黃土基坑施工過程中不同的回灌壓力，在止水帷幕深度一定的條件下，采用ANSYS分析其對控制周邊建筑沉降的效果。

1 數值模型的建立

1.1 回灌水量以及壓力的確定

基坑降水中回灌井回灌量的計算是是個復雜綜合的問題，影響因素不僅有水頭壓力以及地層參數，同時還受井孔結構、施工質量等一系列因素的影響[6]。然而一般在設計與施工中，一般采用單井回灌理論進行計算，水頭確定、水流為非穩定流。其計算公式為：

Q=2？仔Ts■[■？漬■■■du

其中：s■—初始水位水頭差 T—導水系數

J■■（u）、y■■（u）—第一、二類貝賽爾系數

rw—回灌井半徑a=T/S—壓力傳導系數

S—地層儲水系數

通過公式，可以計算求得回灌井的單井回灌量。根據已有的研究成果，選取0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa四種工況進行模擬。

1.2 有限元模擬物理參數的確定以及模型的建立

為便于分析，本次模擬采用平面應變模型。基坑以及周邊場地建筑模型有限元網格劃分如圖1 所示。

2 回灌壓力對建筑沉降值的影響規律

對建立的有限元模型進行分析，在回灌壓力為0.10MPa時得到建筑物最終各點隨著時間變化的沉降變化曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出臨近基坑邊緣的各點的沉降值比較大且相近，隨著與基坑距離的增大，各點沉降值逐漸減小。在與基坑邊緣相平行的線上，各點的位移值基本一致，且建筑物邊緣的沉降值略大于內部。此外，建筑物的沉降左右具有良好的對稱性，在接下來的研究中取其左半部分進行分析。位于基坑邊緣同一平行線上的最終位移沉降值基本相近。另外，建筑物左側點位的沉降值要大于內部的點，這與建筑物內部受的約束較大有關。

圖3分別為回灌壓力0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa時沉降值隨時間的變化曲線，前兩種其變化0.10MPa時基本相似。其差異主要體現在不同止水帷幕深度條件下各點最終沉降值的差異。可見回灌壓力的增加，對抑制基坑周邊環境沉降是有著明顯的效果的。但是結合圖2進行分析，發現其變化曲線在0.15MPa、0.15MPa、0.20MPa0三個壓力所對應的點位其變化速率是基本一致的，壓力越大則沉降值呈線性減少。對圖3（c）進行分析，較之前幾種工況發現該工況下建筑沉降量驟增，說明過大的回灌壓力不利于建筑物沉降的穩定，在此證明合理回灌壓力的重要意義。

在基坑降水設計中，合理的回灌壓力具有重要的現實意義。綜合沉降值以及建筑傾斜率的變化，得出結論，在滿足該基坑實際條件下，回灌壓力0.20MPa最為合適。

3 結論

采用有限元分析軟件模擬基坑降水、開挖對周邊的建筑物沉降影響，對比四種不同回灌壓力，得到以下結論：

1）在于基坑邊緣垂直的方向上，基坑降水開挖對周邊的影響變化趨勢呈現出隨著各點與基坑距離的增大減小態勢，反映在建筑上就是其沉降值以及其減小速率均逐漸減小。

2）回灌壓力的增加，使得建筑的最終沉降值減小。在此過程中，其變化以一個較為穩定的速率減小，此后，過大壓力使得回灌井周邊產生突涌，地層中不能形成穩定的滲流場。

3）黃土具有較好的滲透性，容易形成穩定的滲流場，使得不均勻沉降明顯，故實際設計中，需對公式進行修正，除了應考慮基坑的地質條件，還要結合建筑物的實際情況分析計算。壓力設計中，合理的回灌壓力深度具有重要的現實意義。

【參考文獻】

[1]欒長青，闞宏明，唐益群.上海地鐵九號線宜山路站降水引起的沉降分析[J].巖土工程學報，2010（12）：1961-1968.

[2]丁洲祥，龔曉南，俞建霖，金小榮，祝哨晨.止水帷幕對基坑環境效應影響的有限元分析[J].巖土力學，2005，S1：146-150.

[3]陳鵬飛，龔曉南，劉念武.止水帷幕的擋土作用對深基坑變形的影響[J].巖土工程學報，2014，S2：254-258.

[4]劉愛娟，李整建，劉太平.基坑止水帷幕優化設計探討[J].工程勘察，2011（12）：20-24.

[5]趙敏，厲廣廣，孟令冬.黃土地區深基坑土壓力監測與分析[J].四川理工學院學報（自然科學版），2016（3）：81-84.

[6]JGJ120-2012.建筑基坑支護技術規程[S].北京：建筑工業出版社，2012.

[責任編輯：田吉捷]